韓衛(wèi)華

(山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原030031)

0 引言

水是作物生存之源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必要條件；肥料是農(nóng)作物增產(chǎn)增量的關鍵保證。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)傳統(tǒng)的灌溉施肥方式浪費大量的水肥資源，引起環(huán)境污染、資源浪費和農(nóng)產(chǎn)品安全等問題，制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

我國在水肥一體化技術智能灌溉系統(tǒng)方面的研究起步較晚，缺乏科學化、智能化和信息化管理。山西省近幾年掀起了溫室大棚設施蔬菜建設高潮，但缺乏有效的配套技術服務，溫室大棚機械化作業(yè)和自動控制技術裝備水平低，降低了山西溫室大棚設施蔬菜競爭力。推廣應用智能水肥一體化技術，提高蔬菜質(zhì)量、產(chǎn)量和競爭力顯得尤為重要[2-3]。

在借鑒PLC、LORA物聯(lián)網(wǎng)等技術的基礎上，對現(xiàn)有的水肥一體機進行改進試驗，研制出智能水肥機控制系統(tǒng)關鍵技術裝備，使水肥一體化技術與物聯(lián)網(wǎng)技術有效結合提高水肥利用率，實現(xiàn)農(nóng)田精準施肥灌溉[4]。

1 研究內(nèi)容及關鍵技術

1.1 研究內(nèi)容

在現(xiàn)有水肥一體機功能的基礎上進行改進設計，水肥一體化關鍵技術裝備智能控制系統(tǒng)采用遠傳型浮子流量計與定制的微型電動閥精準控制水肥的流量，實現(xiàn)水肥定時定量自動化控制；增加高效混合設備混肥腔，達到良好分散和充分混合的目的；控制系統(tǒng)采用PLC技術與觸摸屏技術相結合，設計了良好的人機交互界面；結合物聯(lián)網(wǎng)技術，通過土壤信息、環(huán)境信息的無線傳輸采集，利用手機APP進行遠程監(jiān)測指導施肥灌溉作業(yè)，實現(xiàn)智能化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理。引進的設備如圖1所示，改進后的設備如圖2所示。

圖1 引進設備Fig.1 Imported equipment

圖2 改進后設備Fig.2 Improved equipment

1.2 解決的關鍵技術

1.2.1關鍵技術

水肥一體化是一項綜合技術，涉及農(nóng)田灌溉、作物栽培和土壤耕作等多方面的農(nóng)業(yè)技術。水肥一體機設備主要由首部樞紐系統(tǒng)、水肥一體機、管道系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成。

引進設備改進后控制系統(tǒng)采用PLC技術與觸摸屏技術相結合，灌溉施肥采用電動調(diào)節(jié)閥、傳感器等技術，利用無線傳輸，對農(nóng)田土壤信息、環(huán)境信息和設備工作狀態(tài)等現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行遠程采集傳輸，結合土壤濕度值和水肥的EC值、pH值監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程或現(xiàn)場控制設備的運行，大大提高作物灌溉施肥效率[5]。水肥一體化關鍵技術裝備智能控制系統(tǒng)首部系統(tǒng)連接示意如圖3所示。

圖3 水肥一體化關鍵技術裝備智能控制系統(tǒng)首部系統(tǒng)連接示意Fig.3 Connection diagram of head system of intelligent control system for key technology equipment of water and fertilizer integration

1.2.2改進后設備性能參數(shù)

改進后的設備主要性能參數(shù)：吸肥通道4個；最大吸肥量18～480 L/h；無故障運行時間≥1 000 h。

1.2.3改進的關鍵部件

(1)混肥腔是一種沒有運動部件的高效混合設備，是先進的混合器，通過固定在管內(nèi)的混合單元體使多股流體產(chǎn)生切割、剪切和旋轉(zhuǎn)運動，從而起到混合作用。混肥腔在水肥機的應用使得肥料與水進行良好分散和充分混合，避免肥料的不均勻與沉淀?；旆是蝗鐖D4所示。

圖4 混肥腔Fig.4 Mixed fertilizer cavity

(2)采用遠傳信號輸出型浮子流量計與微型電動閥，結合文丘里施肥器完成肥料的輸送、計量和調(diào)節(jié)功能,達到精準控制施肥濃度，簡化生產(chǎn)工藝流程的目的[6]。水肥一體機的4個通道可以將4種不同肥料按準確比例輸入工藝流程中進行混合。浮子流量計及電動閥如圖5所示。

圖5 浮子流量計及電動閥Fig.5 Float flowmeter and electric valve

(3)物聯(lián)網(wǎng)的主要功能是基于互聯(lián)網(wǎng)的所有事物的互聯(lián)，實現(xiàn)信息交換和通訊。物聯(lián)網(wǎng)就是把各種傳感器、信息處理器和無線網(wǎng)絡融合成一個有機整體，對目標進行精準感知、自動控制、數(shù)據(jù)分析與決策的智能管理。

隨著傳感技術和自動化技術的發(fā)展，利用各種傳感器來監(jiān)控種植區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、光照、土壤濕度、土壤溫度和CO2濃度等影響農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)，采用LORA通訊技術獲取數(shù)據(jù)并快速安全地無線傳送到信息決策層，再將大量的數(shù)據(jù)進行綜合智能化分析，通過系統(tǒng)或者手機APP遠程控制種植區(qū)內(nèi)的施肥機、水泵、閥門和加熱等設備的操作，為用戶提供最佳灌溉施肥方案[7-10]。物聯(lián)網(wǎng)控制模塊如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)控制模塊Fig.6 Internet of things control module

在借鑒PLC、LORA窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術的基礎上，形成一套具有物聯(lián)網(wǎng)功能的智能水肥一體化裝備。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)上的應用，對溫室大棚中的環(huán)境信息和土壤信息數(shù)據(jù)的無線傳輸監(jiān)測，為精確配肥、自動控制提供依據(jù)，也為大棚內(nèi)農(nóng)機具作業(yè)提供便利的工作環(huán)境[11]。設備改進試驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 設備改進試驗現(xiàn)場Fig.7 Equipment improvement test site

改進后的智能水肥一體機具有較為先進的功能，可滿足個性化需求；自動化程度高，配置多種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境狀況、土壤墑情實現(xiàn)自動化操作，精準控制肥料濃度；有多個供肥通道，除一次性補充所有營養(yǎng)元素外，還可根據(jù)需要添加酸或堿調(diào)節(jié)pH值，根據(jù)作物需要及時供水供肥；省水省肥省工，節(jié)約生產(chǎn)成本。智能水肥一體機設備還具有數(shù)據(jù)儲存功能，方便查詢，為后續(xù)改進和優(yōu)化生產(chǎn)管理積累參考數(shù)據(jù)。

2 試驗驗證

水肥一體化關鍵技術裝備智能控制系統(tǒng)裝備安裝于晉中市榆次區(qū)東陽鎮(zhèn)北席村進行測試試驗。試驗前，檢查水泵、過濾器、壓力及流量監(jiān)測設備、壓力保護裝置、水肥一體機設備和自動化控制設備連接的可靠性、系統(tǒng)的完整性。根據(jù)實際種植作物及灌溉作業(yè)，通過操作觸摸屏按照設定的配方、攪拌時間的長短、EC/pH值的上下限、灌溉過程參數(shù)，自動控制灌溉量、吸肥量、肥液濃度和酸堿度等水肥過程中的重要參數(shù)，實現(xiàn)對灌溉、施肥的定時、定量控制。確定無誤后開啟總開關進行試驗。智能水肥一體機控制系統(tǒng)田間布局如圖8所示。

圖8 智能水肥一體機控制系統(tǒng)田間布局Fig.8 Field layout of intelligent water and fertilizer machine control system

按照試驗大綱規(guī)定的試驗項目順序進行試驗，并對大綱中所要求的指標進行記錄。設備主要技術參數(shù)：注肥通道4個；主泵功率3 kW，揚程32 m，流量10 m3/h；施肥機泵功率1.5 kW，揚程56 m，流量4 m3/h。

當設定施肥機流量為350 L/h時，主路流量為8.57 m3/h，設備運行穩(wěn)定后，施肥機1#、2#、3#、4#通道的流量數(shù)值與設定值相差≤1%，EC值準確度≤10%，pH值準確度±0.1,施肥機每個通道流量最大可達600 L/h，完全符合設計要求。

試驗結果顯示，改進后的智能水肥一體機設備比傳統(tǒng)施肥機節(jié)水30%以上、省肥30%～50%；自動化、智能化水平提高，節(jié)約勞動力60%左右。關鍵技術裝備智能控制系統(tǒng)各項技術性能基本達到設計技術要求，第三方檢驗機構的檢測表明，其技術性能指標完全符合技術任務書的要求。

3 存在問題及改進建議

3.1 存在問題

我國在智能水肥一體化領域取得了一定成效，但是目前國內(nèi)研制的眾多水肥一體化智能配肥控制系統(tǒng)裝備還存在以下問題。

(1)本項目中的傳感器或者控制器均采用無線傳輸，解決了種植分布廣、監(jiān)測點多及布線困難的問題，但由于資金欠缺，沒有形成統(tǒng)一便捷的信息交互平臺。

(2)試驗過程發(fā)現(xiàn)水肥一體機調(diào)節(jié)水肥EC值和pH值過程中存在非線性、時變性、時滯性和不確定因素等問題，影響灌溉施肥的精準度，對EC值、pH值的控制模型有待進一步研究。

(3)滴灌噴頭容易堵塞。水肥一體化技術對肥料有較高的要求，目前國內(nèi)使用的水溶性肥料常含有過磷酸鈣等雜質(zhì)，易堵塞滴灌噴頭，影響灌溉設備正常運行。

3.2 改進建議

(1)智能水肥一體化技術是多學科、多技術相互結合的系統(tǒng)，將傳感技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、無線通訊技術和農(nóng)藝技術等眾多關鍵技術相融合，采用物聯(lián)網(wǎng)技術、利用網(wǎng)絡構建統(tǒng)一便捷的信息交互平臺。

(2)針對調(diào)節(jié)水肥EC值和pH值過程的非線性、時變性和時滯性等問題，簡化數(shù)學模型，對兩個系統(tǒng)分別設計自抗擾控制器并進行改進[12-13]。

(3)加強肥料研究，研發(fā)適合水肥一體化技術應用的水溶性肥料。

4 結束語

引進一套智能水肥一體機設備，在借鑒PLC、LORA窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術的基礎上，改進自動控制系統(tǒng)，將傳感技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、無線通訊技術和農(nóng)藝技術等關鍵技術相融合，使其成為適合設施農(nóng)業(yè)的高精度、具有物聯(lián)網(wǎng)功能的智能水肥一體化裝備，實現(xiàn)定時定量自動化控制水肥，提高作物品質(zhì)。改進后的水肥一體化關鍵技術裝備智能控制系統(tǒng)各項技術性能基本達到設計要求，通過了第三方檢驗機構的檢測。改進后的智能水肥一體機設備比傳統(tǒng)施肥機節(jié)水30%以上、省肥30%～50%；自動化、智能化水平提高，節(jié)約勞動力60%左右。

水肥一體化關鍵技術裝備的推廣與實施，符合我國當前對節(jié)能減排、生態(tài)文明建設的發(fā)展要求，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的水肥一體化智能控制系統(tǒng)裝備在我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中具有廣闊的應用前景。